-计算机硬件系统组成课件

合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成大大 学学 计计 算算 机机 基基 础础合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成第三章第三章 计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成本章学习重点本章学习重点计算机系统的组成及冯计算机系统的组成及冯诺依曼原理诺依曼原理计算机硬件系统的基本结构和工作过程计算机硬件系统的基本结构和工作过程计算机各部分的作用和总线结构计算机各部分的作用和总线结构 微型计算机的构成及部件微型计算机的构成及部件合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成冯冯 诺依曼原理诺依曼原理 计算机的硬件由五部分组成：计算机的硬件由五部分组成：运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器 输入设备输入设备 输出设备输出设备计算机的内部数据是以二进制表示的计算机的内部数据是以二进制表示的;程序存储在存储器后自动执行（存储程序原理）。程序存储在存储器后自动执行（存储程序原理）。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机外设外设微处理器微处理器(CPU)内存储器内存储器控制器控制器运算器运算器系统软件系统软件 应用软件应用软件操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序数据库管理系统数据库管理系统网络通信管理程序网络通信管理程序应用软件包应用软件包用户程序用户程序总线系统总线系统 3.1.1 .1.1 计算机系计算机系统统3.1 计算机系统计算机系统外存储器外存储器输入设备输入设备输出设备输出设备合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成计算机的层次结构 计算机的硬件计算机的硬件是通用的。在同样的硬件条件下，通过执行不同是通用的。在同样的硬件条件下，通过执行不同的软件，实现了计算机丰富多样的功能。的软件，实现了计算机丰富多样的功能。软件系统软件系统运行于硬件系统之上，软件是需要处理的信息、以及运行于硬件系统之上，软件是需要处理的信息、以及信息处理规则、方法、文档等的集合，软件分为信息处理规则、方法、文档等的集合，软件分为系统软件系统软件和和应用软应用软件。件。系统软件是为了提高硬件的使用效率并方便用户使用而专门设系统软件是为了提高硬件的使用效率并方便用户使用而专门设计的软件，其中最重要的是计的软件，其中最重要的是操作系统操作系统，操作系统包裹在硬件之外掩，操作系统包裹在硬件之外掩盖了计算机硬件的复杂特征，管理计算机的资源，增强计算机的易盖了计算机硬件的复杂特征，管理计算机的资源，增强计算机的易用性。用性。应用软件是实现某个专门功能的软件。应用软件、用户程序都应用软件是实现某个专门功能的软件。应用软件、用户程序都是通过操作系统的调度进而通过硬件才能实现其功能。是通过操作系统的调度进而通过硬件才能实现其功能。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成计算机系统结构图APPLICATIONOSHARDWARE二进制的计算机二进制的计算机操作系统下的虚拟机操作系统下的虚拟机USER管理计算机的硬件和软件资源管理计算机的硬件和软件资源提供用户使用计算机的接口提供用户使用计算机的接口合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.1.2 计算机硬件模型计算机的硬件模型计算机的硬件模型 运算器和控制器的集合又称为中央处理单元运算器和控制器的集合又称为中央处理单元CPU。(Central Processing Unit)运算器控制器存储器存储器输入装置输出装置CPU 中央处理器主主 机机+外设（外设（I/O设备）设备）合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.1.3 计算机指令与程序 指指令令系系统统：指指令令系系统统是是某某种种CPU能能够够执执行行的的所所有有指指令令的的集集合合，不同不同类型的类型的CPU结构其指令系统也不同。结构其指令系统也不同。指指令令：用用来来规规定定计计算算机机的的一一个个基基本本操操作作的的二二进进制制代代码码。一一条条指令对应着指令对应着CPU的一种基本操作。一种基本操作。一条指令一般由两个部分组成：操作码和操作数。一条指令一般由两个部分组成：操作码和操作数。操作码：操作码：操作码指明了操作的性质，操作码指明了操作的性质，如加、减等。如加、减等。操作数：操作数：操作数指明了操作的对象，如两个加数操作数指明了操作的对象，如两个加数。计算机完成某个功能的过程实际是执行一个程序的过程，而程计算机完成某个功能的过程实际是执行一个程序的过程，而程序是由一条条指示序是由一条条指示CPU完成某一个基本操作的指令组成。完成某一个基本操作的指令组成。程序：程序：是计算机能够识别和执行的指令序列。是计算机能够识别和执行的指令序列。是由一连串指是由一连串指令按一定顺序组成的能完成某种任务的令按一定顺序组成的能完成某种任务的指令序列指令序列。软件：软件：是计算机的程序、数据、方法、规则、文档的总称。是计算机的程序、数据、方法、规则、文档的总称。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成程序示例例：例：MOV R1，2 ;将将2存放到存放到CPU内部的寄存器内部的寄存器R1中中 ADD R1，3 ;将将R1的内容加上的内容加上3，结果，结果5再存放到再存放到R1中中 HLT ;结束结束合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.2 3.2 计算机的主机计算机的主机2.3.1 2.3.1 中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器(CPU)(CPU)组成：组成：ALU 算术逻辑单元算术逻辑单元 CU控制单元控制单元 Register寄存器寄存器硬件系统硬件系统Hardware主机主机外设外设CPU内存内存Input DeviceOutputDevice合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成中央处理器中央处理器(CPU)的构成的构成 算术逻辑单元算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logical Unit)通用寄存器通用寄存器(General Register)存放存放ALU运算的原始数据、中间结果、最终结果等运算的原始数据、中间结果、最终结果等。专用寄存器专用寄存器(Special Register)指令寄存器指令寄存器(IR)程序计数器程序计数器(PC)标志寄存器标志寄存器(FR)指令译码器（指令译码器（ID）翻译指令寄存器中的指令并发出控制信号翻译指令寄存器中的指令并发出控制信号 合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成CUP的模型及基本工作过程的模型及基本工作过程下面以一个简单的单总线模型机介绍下面以一个简单的单总线模型机介绍CPU的工作过程的工作过程CUP内部总线内部总线MAR存储器MDRALUTRTRFRGRAC运算器运算器PC+1IRIDC命命令令信信号号时序发生时序发生控制器控制器合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.2.2 指令的执行过程指令的执行过程 指令的执行过程分为以下几个步骤：指令的执行过程分为以下几个步骤：取指令取指令 分析指令分析指令 执行指令执行指令 重复重复（取下条指令）（取下条指令）合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成 3.2.3存储器结构存储器结构存储器由一个个大小相同的基本存储单元存储器由一个个大小相同的基本存储单元（Byte)组成。组成。为了区分各个单元，给每个单元编号。称为了区分各个单元，给每个单元编号。称为存储单元的为存储单元的地址地址。各单元内存放的是各单元内存放的是数据。数据。CPU对内存可以读（取）也可以写（存），对内存可以读（取）也可以写（存），要有要有控制信号控制信号控制。控制。01n因此，因此，CPU对存储器的操作必须有三类信号：对存储器的操作必须有三类信号：地址信号地址信号数据信号数据信号控制信号控制信号存储器结构存储器结构存储器结构存储器结构合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成存储器的种类存储器的种类 存储器是计算机的记忆部件，负责存储程序和数据。存储器分存储器是计算机的记忆部件，负责存储程序和数据。存储器分两大类：主存储器两大类：主存储器(内存内存)和辅助存储器和辅助存储器(外存外存)。内部存储器采用的是半导体存储器，其特点是：存取数据速度内部存储器采用的是半导体存储器，其特点是：存取数据速度快，可随机存取，体积小快，可随机存取，体积小，功耗低。内存容量有限。主存储器，功耗低。内存容量有限。主存储器(内内存存)又分为随机存储器又分为随机存储器RAM和只读存储器和只读存储器ROM。RAM：随机访问存储器。易失。随机访问存储器。易失。ROM：只读存储器。非易失。只读存储器。非易失。E2PROM：可编程只读存储器。非易失。可编程只读存储器。非易失。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.3 3.3 输入输出系统输入输出系统 输入输出系统实现主机和用户之间的通讯，通讯是通过外部设输入输出系统实现主机和用户之间的通讯，通讯是通过外部设备及其接口实现的。外部设备是输入和输出设备的总称，简称为外备及其接口实现的。外部设备是输入和输出设备的总称，简称为外设，外设是计算机和用户之间或设备与主存储器之间交换数据的工设，外设是计算机和用户之间或设备与主存储器之间交换数据的工具。具。由于主机是由集成电路芯片连接而成，而由于主机是由集成电路芯片连接而成，而I/O设备通常是机电结设备通常是机电结合的装置，在它们之间存在着速度、时序、信号电平、信号格式和合的装置，在它们之间存在着速度、时序、信号电平、信号格式和类型等方面的差异。类型等方面的差异。I/O接口的功能主要是解决上述的不匹配，使主接口的功能主要是解决上述的不匹配，使主机与机与I/O设备能协调地工作，并实现主机对外设的控制。设备能协调地工作，并实现主机对外设的控制。3.3.1 输入输出系统的概念输入输出系统的概念 3.3.2 输入输出接口输入输出接口主机主机系统总线系统总线I/O接接口口外设外设数据数据状态状态命令命令合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.3.3 输入输出系统的控制方式 主机与外设通讯的控制方式主机与外设通讯的控制方式程序查询程序查询程序中断程序中断DMA传送传送合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.4 总线总线（BUS）3.4.1 总线的概念总线的概念 总线计算机模型总线计算机模型系统总线的分类：系统总线的分类：地址总线（地址总线（Address Bus）数据总线（数据总线（Data Bus）控制总线（控制总线（Control Bus）CPU内存I/O接口ABDBCB外设计算机各部件的公共连接线称为总线。计算机各部件的公共连接线称为总线。系统总线：系统总线：CPU、内存、内存、I/O接口的公共连接线。接口的公共连接线。设备总线：设备总线：I/O接口与外设之间的公共连接线。接口与外设之间的公共连接线。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.4.2 常见的系统总线简介 系统总线地址信号线的宽度决定了总线可访问的内存单元数量，系统总线地址信号线的宽度决定了总线可访问的内存单元数量，如果地址总线宽度为如果地址总线宽度为32位可访问位可访问4G单元。数据总线的宽度决定了单元。数据总线的宽度决定了总线上一次传送的字节数。总线上一次传送的字节数。总线标准包括了各种物理、电气等详细的规范。由计算机系统提总线标准包括了各种物理、电气等详细的规范。由计算机系统提供标准的总线接口供标准的总线接口(也称总线插槽也称总线插槽)，系统总线从结构上提供了扩展设，系统总线从结构上提供了扩展设备的连接，只要按照总线标准设计的设备都可以连接到计算机系统中。备的连接，只要按照总线标准设计的设备都可以连接到计算机系统中。微型计算机常用的总线标准有：微型计算机常用的总线标准有：ISA、VESA、PCI和和AGP等。等。PCI是是Intel公司为公司为“奔腾奔腾”CPU制定的总线标准，是目前微型计制定的总线标准，是目前微型计算机的主流总线标准。算机的主流总线标准。PCI总线通过总线桥将速度不一致的部件隔离，总线通过总线桥将速度不一致的部件隔离，实现了实现了CPU和总线数据的异步传送，提高了数据传送的效率。和总线数据的异步传送，提高了数据传送的效率。PCI总总线的数据总线宽度是线的数据总线宽度是32/64，数据传送率是，数据传送率是132MB/s。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成常见的设备总线有：常见的设备总线有：IDE接口接口软盘驱动器接口电路软盘驱动器接口电路并行适配器接口电路并行适配器接口电路异步通信适配器接口（串行口异步通信适配器接口（串行口）USB(Universal Serial Bus)通用串行接口通用串行接口3.4.3 常用设备总线 设备总线用于连接主机的设备总线用于连接主机的I/O接口和外部设备。计算机的常用的接口和外部设备。计算机的常用的设备总线有设备总线有IDE、并行口、串行口、并行口、串行口、USB接口等。接口等。USB接口的主要优点是：系统提供标准的简单连接器，便于使接口的主要优点是：系统提供标准的简单连接器，便于使用；系统采用星型拓扑结构，可以通过集线器方便的扩展接口；高用；系统采用星型拓扑结构，可以通过集线器方便的扩展接口；高速率，最高传送速率可达到的每秒速率，最高传送速率可达到的每秒480Mbit。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成计算机的主要指标计算机的主要指标v字字 长：长：数据总线的宽度，表示计算机一次处理数据数据总线的宽度，表示计算机一次处理数据的二进制的位数。的二进制的位数。v存储容量：存储容量：主存储器单元的多少，受限于主存储器单元的多少，受限于CPU的地址总线。的地址总线。v主主 频：频：计算机在统一的时钟节拍下工作，时钟的频计算机在统一的时钟节拍下工作，时钟的频率为主频。率为主频。v运算速度运算速度：MIPS（每秒执行的兆指令数）（每秒执行的兆指令数）写拍写拍读拍读拍周期周期T主频主频f=1/T合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成3.5微型计算机微型计算机(PC)基本知识基本知识3.5.1硬件系统组成硬件系统组成主机主机CPU：Intel 公司的公司的80 x86系列。系列。内存：半导体存储器，内存：半导体存储器，RAM、ROM外设外设硬硬 盘盘CD-ROM鼠标器鼠标器 输入设备输入设备键盘键盘 输入设备输入设备显示器显示器 输出设备输出设备串行口串行口 标准接口标准接口并行口并行口 标准接口标准接口USB 接口接口外存（辅存）外存（辅存）合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成PC机外观机外观合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成PC机内部各单元机内部各单元合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成主机板 主板是系统中最大的一块印刷电路板，由印刷电路板、主板是系统中最大的一块印刷电路板，由印刷电路板、CPU插插座、控制芯片、座、控制芯片、CMOS存储器、存储器、CACHE存储器、各种扩展插槽、存储器、各种扩展插槽、键盘插座、各种连接插座和各种开关及跳线组成的。键盘插座、各种连接插座和各种开关及跳线组成的。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成 4.5.2各部件简介各部件简介Intel：8086/8088、80286、80386、80486、Pentium、Pentium MMX（多能奔腾）、（多能奔腾）、Pentium Pro（高能奔腾）、（高能奔腾）、Pentium /Celeron（赛扬）（赛扬）Pentium Pentium Intel Core 2 Quad 1.1.CPU字长字长32位位合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成Intel AMDCPU合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成主存储器主存储器内存内存 内存器件采用的是半导体存储器，其特点是速度快、功耗低，内存器件采用的是半导体存储器，其特点是速度快、功耗低，但价格相对较高。在计算机中有两类：但价格相对较高。在计算机中有两类：RAM、ROM。随机存取存储器随机存取存储器 RAM：既可读又可写，断电后：既可读又可写，断电后信息丢失。信息丢失。只读存储器只读存储器 ROM：只能读不能写，断电：只能读不能写，断电仍然能够保持数据。仍然能够保持数据。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成硬盘驱动器接口电路硬盘驱动器接口电路USB接口接口 并行打印机适配器电路：插座并行打印机适配器电路：插座25孔。孔。异步通信适配器接口异步通信适配器接口 插座插座9针或针或25针两种，连接鼠标，绘图仪等串行设备。针两种，连接鼠标，绘图仪等串行设备。游戏操纵杆接口游戏操纵杆接口显示卡显示卡 PCI和和AGP：都属于：都属于VGA卡，有卡，有3D加速功能，显存加速功能，显存2MB以以上，上，12801024以上，显示速度快。目前以上，显示速度快。目前AGP最常用。最常用。3.3.输入输入/输出接口电路输出接口电路各种外设都通过标准接口或标准总线与主机相连。各种外设都通过标准接口或标准总线与主机相连。总线标准有：总线标准有：ISA、PCI合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成PC机外设接口机外设接口合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成(1)(1)磁盘类存储器磁盘类存储器 软盘：软盘：3.5英寸高密度容量英寸高密度容量 =2 面面 80 磁道磁道 18扇区扇区 512字节字节 =1.44MB 硬盘：由若干个磁性圆盘组成。硬盘：由若干个磁性圆盘组成。存储容量存储容量=磁头数磁头数 柱面数柱面数 扇区数扇区数 每扇区字节数每扇区字节数(2)(2)磁带存储器磁带存储器 顺序存取设备。顺序存取设备。(3)(3)光盘存储器光盘存储器 CD-ROM：Compact Disk-ROM，只读型光盘。，只读型光盘。一倍速率：一倍速率：150KB/s；24倍速率：倍速率：24150KB/s=3.6MB/s。3.5.3常用外设基本配置 辅助存储器（外存储器）合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成磁盘的结构磁盘的结构v磁盘采用同心圆结构分为面、道、扇区。磁盘采用同心圆结构分为面、道、扇区。v磁盘容量为磁盘容量为=面数面数 道数道数 扇区数扇区数 扇区字节数。扇区字节数。v扇区字节数为扇区字节数为512。盘片：两个面磁道磁道扇区扇区转动轴移动臂移动臂磁头合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成硬硬 盘盘磁头磁头盘片盘片 硬盘存储器：硬盘存储器：简称为硬盘（简称为硬盘（Hard disk），由硬盘片、硬盘控制器、硬盘），由硬盘片、硬盘控制器、硬盘驱动器及连接电缆组成。驱动器及连接电缆组成。其特点是：存储容量大、存取速度快，其特点是：存储容量大、存取速度快，可靠性高。硬盘通常固定在主机箱内，可靠性高。硬盘通常固定在主机箱内，是计算机必备的设备。目前微型机配备是计算机必备的设备。目前微型机配备的硬盘存储容量大多在的硬盘存储容量大多在40-120GB。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成光驱、光盘光驱、光盘 光盘（光盘（Optical Disk）是利用激光进行读写信息的圆盘。光盘）是利用激光进行读写信息的圆盘。光盘存储器系统是由光盘片、光盘驱动器组成。光盘存储容量大，常用存储器系统是由光盘片、光盘驱动器组成。光盘存储容量大，常用的的CD盘片可存储盘片可存储650700MB的信息。光盘读取速度快，可靠性高，的信息。光盘读取速度快，可靠性高，使用寿命长，携带方便。使用寿命长，携带方便。CD-ROM：Compact Disk-ROM，只读型光盘。，只读型光盘。一倍速率：一倍速率：150KB/s；52倍速率：倍速率：52150KB/s=7.8MB/s。常见的光盘存储器有常见的光盘存储器有CD-ROM，CD-R，CD-R/W DVD-ROM：Digital Versatile Disc DVD-ROM 1倍速是倍速是1358KB/sec。DVD5容量容量：4.7G合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成U盘存储器盘存储器(FLASH存储器存储器)U盘盘又又称称为为闪闪存存(Flash Memory）,是是一一种种可可以以直直接接插插在在USB端端口口上上的的外外存存储储器器，采采用用半半导导体体介介质质，具具有有防防潮潮、抗抗震震、耐耐高高低低温温等等特特点点。产产品品本本身身不不易易损损坏坏，数数据据存存储储安安全全。理理论论上上可可以以进进行行100万万次以上的反复擦写而不会损坏。次以上的反复擦写而不会损坏。通通过过USB端端口口，在在Windows XP/7系系统统下下可可以以即即插插即即用用，U盘盘重重量量轻轻、容容量量大大、体体积积小小、携携带带方方便便、并并能能即即插插即即用用和和保保存存信信息息可可靠等优点。靠等优点。合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成显示器是微型机最基本的输出设备显示器是微型机最基本的输出设备显示器常用参数显示器常用参数分辨率分辨率:显示器水平方向和垂直方向的像素点数显示器水平方向和垂直方向的像素点数 (横向点横向点 纵向点纵向点)颜色数颜色数:显示器能显示的颜色数量显示器能显示的颜色数量 目前流行的显示卡是目前流行的显示卡是SuperVGA显卡，其分辨率在显卡，其分辨率在1024*768以上，颜色数在以上，颜色数在256色以上，除此之外，还有更高分辨率的显卡，色以上，除此之外，还有更高分辨率的显卡，分辨率越高，光点越细腻，色彩越丰富，其清晰度也越高。分辨率越高，光点越细腻，色彩越丰富，其清晰度也越高。显示系统合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成打印机也是计算机重要的输出设备打印机也是计算机重要的输出设备打印机大致分为三类：打印机大致分为三类：针式打印机、针式打印机、喷墨打印机、喷墨打印机、激光打印机激光打印机打印机打印机针式打印机针式打印机喷墨打印机喷墨打印机激光激光打印打印机机合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成键盘是计算机最常用的输入设备键盘是计算机最常用的输入设备键盘统称分为四个区域：键盘统称分为四个区域：基本键区、功能键区、数字键区、编辑键区基本键区、功能键区、数字键区、编辑键区按键分成按键分成：控制键、功能键、字符键控制键、功能键、字符键键盘键盘功能键区功能键区基本键区基本键区编辑键区编辑键区数字键区数字键区空格空格AltCtrlEnterShiftbackspaceCaps lock合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成基本指位基本指位合肥工业大学计算机基础教育教研室第3章 计算机硬件系统组成 鼠标是目前一些常用软件和图形系统采用的，方便、灵活、可鼠标是目前一些常用软件和图形系统采用的，方便、灵活、可靠的输入设备。鼠标根据其使用原理可分为：机械鼠标、光电鼠标靠的输入设备。鼠标根据其使用原理可分为：机械鼠标、光电鼠标等。按键数可分为：两键鼠标、三键鼠标和多键鼠标。等。按键数可分为：两键鼠标、三键鼠标和多键鼠标。鼠标器鼠标器操作方法：操作方法：点击：按下，立即释放。点击：按下，立即释放。按住：按下，不释放。按住：按下，不释放。拖动：按下，不释放，拖动：按下，不释放，并且拖动鼠标。并且拖动鼠标。